孫玉江, 劉海超, 孟 強(qiáng), 苑世寧

(中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300457)

LNG管道多采用304或316不銹鋼材料制造，在管道制造、運(yùn)輸、生產(chǎn)以及運(yùn)營(yíng)過程中，易受到海邊鹽霧中氯化物等的影響，不銹鋼外表面的富鉻氧化物保護(hù)膜會(huì)遭到侵蝕，而且LNG介質(zhì)在管道內(nèi)的輸送過程中可能會(huì)對(duì)管道彎頭造成沖蝕，引發(fā)管道孔蝕和應(yīng)力腐蝕[1]，進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故[2]。管道完整性管理[3]以及特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范中要求定期檢測(cè)管道的剩余壁厚，以便于進(jìn)行定量分析與評(píng)估[4]。由于生產(chǎn)和生活的需要，LNG管道一般不允許停產(chǎn)，而且拆除LNG管道外保冷層會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)LNG溫度急劇上升，管道壓力突然增大，進(jìn)而引發(fā)LNG儲(chǔ)罐的“間歇泉”事故[5]。因此，只可采取在線檢測(cè)LNG管道壁厚的方法，而常規(guī)的接觸式檢測(cè)方法不適用于LNG管道的檢測(cè)[6]。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)官方資料，切向射線照相法可以在不拆除保溫層的情況下檢測(cè)LNG管道，相對(duì)于傳統(tǒng)的X射線照相法，可以提高檢測(cè)作業(yè)過程中的安全性、工作效率和檢測(cè)精度。因此，筆者基于切向照相法，研究了一種切向射線掃描檢測(cè)方案，并開發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了在帶保冷層情況下的LNG管道剩余壁厚檢測(cè)。

由于該方法僅適用于單點(diǎn)檢測(cè)，難以覆蓋整個(gè)LNG管道，按照管道完整性管理的要求，需要獲取整條管道最薄點(diǎn)的剩余壁厚。根據(jù)前期研究成果可知[7-10]，油氣管道局部腐蝕的最大腐蝕點(diǎn)深度符合Gumbel分布，因此，筆者結(jié)合Gumbel極值分布原理，對(duì)某條在役LNG管道進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，預(yù)測(cè)整條LNG管道的最小剩余壁厚。

1 切向射線掃描檢測(cè)技術(shù)基本原理

1.1 檢測(cè)基本原理

切向射線掃描檢測(cè)技術(shù)原理遵循射線檢測(cè)方法的基本規(guī)律，即缺陷區(qū)域材料與管道材料的射線吸收率不同，導(dǎo)致射線在穿過缺陷時(shí)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。根據(jù)射線的這種特性，可利用切向射線掃描檢測(cè)LNG管道剩余壁厚及分區(qū)，檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 切向射線掃描檢測(cè)技術(shù)原理示意

圖1(a)中，由伽馬射線源、探測(cè)器和控制機(jī)構(gòu)模擬切向射線掃描檢測(cè)樣機(jī)，假設(shè)其對(duì)一段LNG管道進(jìn)行檢測(cè)，該管道由鋁皮、保冷層、管道組成且厚度均勻。P1，P8分別為鋁皮外壁的兩端點(diǎn)；P2，P7分別為鋁皮內(nèi)壁和保冷層外壁接觸的兩端點(diǎn)；P3，P6分別為保冷層內(nèi)壁和管道外壁接觸的上、下兩個(gè)端點(diǎn)；P4，P5分別為管道內(nèi)壁上、下兩端點(diǎn)；D為管道的直徑分割線。檢測(cè)裝置內(nèi)射線源發(fā)出的射線經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后由步進(jìn)電機(jī)與晶體探測(cè)器同步，在LNG管道外側(cè)沿掃描方向掃描LNG管道，晶體探測(cè)器接收到的射線信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理后以計(jì)數(shù)的形式表征射線強(qiáng)度的變化。檢測(cè)時(shí)，如圖1(a)所示，在掃描至P1，P2之間時(shí)，沿掃描方向鋁皮的切向厚度會(huì)逐漸增加，此時(shí)探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度也應(yīng)逐漸減小。保冷層多為高分子聚合材料，通常情況下，這種材料的射線吸收率要低于金屬的，因此，在P2點(diǎn)時(shí)，射線經(jīng)過的鋁厚度最大，探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度最低，對(duì)應(yīng)圖1(b)中的2點(diǎn)；隨后P2，P3之間射線強(qiáng)度會(huì)逐漸增加，至P3點(diǎn)達(dá)到最高，對(duì)應(yīng)圖1(b)中的3點(diǎn)。由于LNG管道使用的是316L不銹鋼材料，同理可知，在掃描P3-P4段時(shí)，穿過LNG管道的射線強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，到P4點(diǎn)時(shí)，接收到的射線強(qiáng)度最低，對(duì)應(yīng)圖1(b)中的4。空氣的射線吸收系數(shù)遠(yuǎn)低于LNG管道的射線吸收系數(shù)，因此，在P4，D之間，穿過管道的射線強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)檢測(cè)至D線后，管道下半部分的檢測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律與上半部分相反。根據(jù)上述分析可知，12或78對(duì)應(yīng)的是保冷層外鋁皮的厚度，23或67對(duì)應(yīng)的是保冷層的厚度，34或56對(duì)應(yīng)的是管道的剩余壁厚。

檢測(cè)過程中，需要注意射線源是否可以穿透管道切向方向的最大壁厚，裸管切向方向最大壁厚如圖2所示(圖中Lmax為管道切向方向最大壁厚；W為壁厚；D為管道直徑)。管道切向方向最大壁厚的計(jì)算公式可表示為

圖2 裸管切向方向最大壁厚示意

(1)

1.2 基于Gumbel極值分布的管道最小剩余壁厚預(yù)測(cè)方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，管道腐蝕后的位置可以參考泊松分布，管道的最小剩余壁厚滿足Gumbel極值分布規(guī)律，其表達(dá)式為

(2)

式中：F1(y)為最小剩余壁厚不超過x的概率；x為最小剩余壁厚的隨機(jī)變量，x∈(0，∞)；λ為統(tǒng)計(jì)參量，其取值范圍為-∞到+∞；α為統(tǒng)計(jì)變量，表示管道剩余壁厚的平均值；y為變量代換,y=(x-λ)/α。

假設(shè)將管道分為M個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)檢測(cè)到了多個(gè)剩余壁厚X，該剩余壁厚數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取至同環(huán)境下管道上的最小剩余壁厚，設(shè)X={X1,X2,…,XM}，X1,X2,…,XM為M個(gè)最小管道剩余壁厚按從大到小排列后的值，則第i個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)概率為

F(yi)=i/(M+1),i=1,2,…,M

(3)

將yi代入式(2)中可得到

F1(yi)=exp(-eyi)

(4)

對(duì)(4)式兩邊取兩次對(duì)數(shù)，得到

(5)

此時(shí)，對(duì)N個(gè)測(cè)量值Xi與統(tǒng)計(jì)概率F1(y)通過最小二乘法數(shù)據(jù)擬合，可知y與剩余壁厚Xi之間的關(guān)系，同時(shí)可求得統(tǒng)計(jì)參數(shù)λ和α[11]。

由于切向射線檢測(cè)方法難以檢測(cè)整條LNG管道的剩余壁厚，所以，需要根據(jù)M個(gè)區(qū)域內(nèi)的剩余壁厚來估算整條LNG管道的剩余壁厚。在估算過程中，需要引入回歸周期T，其表達(dá)式為

T=L/M

(6)

T與統(tǒng)計(jì)概率F1(y)關(guān)系為

(7)

將式(7)代入式(5)，可得

y=-ln[-ln(1-1/T)]

(8)

由式(5)可知

x=ay+λ

(9)

此時(shí)，可根據(jù)式(9)得出整條LNG管道最小剩余壁厚的預(yù)估值。

2 LNG管道在線檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證切向掃描檢測(cè)方法可用于LNG管道的剩余壁厚檢測(cè)，筆者利用Cs-137放射源進(jìn)行了室內(nèi)LNG管道的切向射線檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)該檢測(cè)方法能否滿足誤差小于0.05 mm的要求進(jìn)行判斷。

2.2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)LNG管道檢測(cè)的需要，設(shè)計(jì)的LNG管道切向射線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，儀器由5部分組成：① 射線源機(jī)，內(nèi)含有一枚100 mCi的Cs-137放射源和準(zhǔn)直器；② 探測(cè)器，由NaI晶體、光電倍增管、分壓電路和前置放大器等組成，用于接收射線并轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)形式以代表輻射強(qiáng)度；③ 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠組成，用于控制射線源機(jī)和探測(cè)器的位置；④ 控制模塊，由數(shù)據(jù)采集器、PLC(可編程邏輯控制器)組成，用于控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及探測(cè)器數(shù)據(jù)輸出的采集；⑤ 計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)分析軟件，主要用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以及處理檢測(cè)數(shù)據(jù)。此外，試驗(yàn)中還用到了千分尺、激光位移傳感器等。

圖3 LNG管道切向檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

2.3 試驗(yàn)步驟

(1) 檢測(cè)試驗(yàn)開始前，操作人員必須做好個(gè)人防護(hù)工作并隨身攜帶個(gè)人劑量報(bào)警儀，檢測(cè)過程中，人員應(yīng)距離檢測(cè)儀器2 m以上，如遇突發(fā)緊急情況，按應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行。

(2)選取一段LNG管道，在管道保冷層外表面標(biāo)記若干檢測(cè)點(diǎn)P1，P2，P3,…，使用千分尺測(cè)量保冷層的各點(diǎn)厚度D1，D2，D3,…，再測(cè)量保冷層與管道的總厚度B1，B2，B3,…，則各點(diǎn)的管道壁厚為B1-D1，B2-D2，B3-D3,…。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量5次，取5次測(cè)量結(jié)果的平均值作為厚度的千分尺測(cè)量值。

(3) 將準(zhǔn)直后的射線源和探測(cè)器與步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，保證射線源和探測(cè)器可以同步沿LNG管道P1點(diǎn)切向垂直方向移動(dòng)(見圖3)。設(shè)定步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)步長(zhǎng)為0.01 mm，每一步停留時(shí)間為2 s。

(4) 完成P1點(diǎn)掃描后，繼續(xù)按照步驟(3)掃描P2、P3,…，完成LNG管道的檢測(cè)。

(5) 試驗(yàn)完畢，整理裝置和管道，將射線源妥善放置。

(6) 保存并對(duì)比分析LNG管道的千分尺測(cè)量數(shù)據(jù)和切向射線檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)步驟，對(duì)所標(biāo)記的LNG管道進(jìn)行檢測(cè)，LNG管道切向射線檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 LNG管道切向射線檢測(cè)結(jié)果

由于保冷層管道的鋁皮、保冷層、金屬管道和空氣的射線吸收系數(shù)不同，切向射線掃描至鋁皮、保冷層和金屬管道時(shí)，照射到探測(cè)器上的射線強(qiáng)度也不同，使得數(shù)據(jù)在各層邊界處發(fā)生突變。圖4中，A點(diǎn)表示射線進(jìn)入鋁皮，B點(diǎn)表示射線進(jìn)入保冷層，C點(diǎn)表示進(jìn)入管道壁，D點(diǎn)表示退出管道壁?？梢悦黠@看出，在B點(diǎn)和D點(diǎn)出現(xiàn)了兩個(gè)波谷。通過軟件分析計(jì)算得到該檢測(cè)點(diǎn)處的管道壁厚為10.11 mm，千分尺測(cè)量到的該點(diǎn)處壁厚為10.05 mm。相對(duì)于千分尺測(cè)量結(jié)果，切向射線檢測(cè)方法的誤差為0.06 mm。兩種方法的LNG管道壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法的LNG管道壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果 mm

從表1可以看出，相對(duì)于千分尺，切向射線檢測(cè)方法對(duì)LNG管道壁厚的測(cè)量平均誤差約為0.04 mm，測(cè)量誤差的方差為0.04 mm，因此，該方法滿足誤差小于0.05 mm的檢測(cè)精度需要。

3 應(yīng)用實(shí)例

某條LNG站場(chǎng)管道于2003年建成投產(chǎn)運(yùn)行，長(zhǎng)度為4518.68 m，材料為0Cr18Ni9，管徑為159 mm，壁厚為4.5 mm。對(duì)管道進(jìn)行切向射線檢測(cè)時(shí)，每隔150 m設(shè)一個(gè)檢測(cè)區(qū)，共30個(gè)檢測(cè)區(qū)，每個(gè)檢測(cè)區(qū)隨機(jī)檢測(cè)20個(gè)點(diǎn)，30個(gè)區(qū)域內(nèi)的管道最小剩余壁厚結(jié)果如表2所示。

表2 30個(gè)區(qū)域內(nèi)的管道最小剩余壁厚檢測(cè)結(jié)果 mm

將這30個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)從大到小排列，并根據(jù)式(4)計(jì)算出各點(diǎn)的累計(jì)概率F(yi)，并利用式(5)計(jì)算出隱函數(shù)y的值，LNG管道的切向射線檢測(cè)最小剩余厚度分析結(jié)果如表3所示。

以表3中的最小剩余壁厚為橫坐標(biāo)，隱函數(shù)y為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，并繪制最小剩余壁厚概率分布趨勢(shì)線，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知檢測(cè)出的最小剩余壁厚與隱函數(shù)y具有良好的線性關(guān)系，而且進(jìn)一步證明了檢測(cè)到的LNG管道最小剩余壁厚值服從Gumbel極值分布。經(jīng)過最小二乘法計(jì)算，可得到α=-0.229 7,λ=3.736 2,根據(jù)式(9)得到該段LNG管道的最小剩余壁厚曲線公式為x=-0.229 7y+3.736 2；根據(jù)式(6)可以得到回歸周期T=225.934；由式(8)可以得到y(tǒng)=5.418 026，由此可知該LNG管道的最小剩余壁厚為2.49 mm。

表3 LNG管道的切向射線檢測(cè)最小剩余厚度分析結(jié)果

圖5 LNG管道最小剩余壁厚概率分布趨勢(shì)線

4 結(jié)語

通過研究切向射線掃描檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)了一套帶保冷層的LNG管道剩余壁厚檢測(cè)裝置，并驗(yàn)證了該裝置的檢測(cè)精度。通過檢測(cè)一條LNG管道30個(gè)分區(qū)的剩余壁厚并結(jié)合Gumbel極值分布原理預(yù)測(cè)了整條LNG管道的最小剩余壁厚，得到了以下結(jié)論。

(1) 通過對(duì)切向射線掃描檢測(cè)技術(shù)的分析，獲得了LNG管道壁厚切向射線檢測(cè)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律。

(2) 切向射線掃描檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)帶保冷層的LNG管道剩余壁厚檢測(cè)，相對(duì)于千分尺，其檢測(cè)精度誤差為0.04 mm，滿足檢測(cè)精度的要求。

(3) LNG管道剩余壁厚滿足Gumbel極值分布，以此預(yù)測(cè)出該條LNG管道的最小剩余壁厚為2.49 mm。

(4) 雖然通過區(qū)域檢測(cè)和計(jì)算得到了整條LNG管道的剩余壁厚，但預(yù)測(cè)結(jié)果僅為理論計(jì)算值，后續(xù)應(yīng)就預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。